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Verfahren zur groben Temperaturmessung bei metallischen ;iierkstoffen
Temperaturen im Bereich von ca. 300°I - ca. 1800°1 wurden bisher bei Metallen vorwiegend
mit Hilfe zweier Verfahren gemessen. Das erste, schon lange bekannte Verfahren,
stellt die Messung mit Hilfe von Kontaktthermometern dar, wobei also ein mechanischer
Kontakt zwischen dem zu messenden Material und dem Meßinstrument erfolgt. In diese
Reihe gehören die Quecksilberthermometer, die Bimetallstreifen, die Thermoelemente,
Halbleiter usw. Mit Hilfe von Thermoelementen ist es ohne weiteres möglich Temperaturen
von ca. 3500't - 18000 zu messen. Bei Temperaturen, die höher sind als 950°K werden
normale adenpyrometer eingesetzt, also ;*trahlungsmeBverfahren, die mit Hilfe geeigneter
otoelemente auch bei niedrigeren Temperaturen eingesetzt werden können.
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rillen bekannten Verfahren haftet ein eigentümlicher Mangel an, nämlich
der, daß das zu untersuchende Werkstück entweder mechanisch kontaktiert werden muß,
oder zumindest optisch zugänglich ist. In geschlossenen Räumen, wie z0B.
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Rollgängen, Öfen und dergleichen, oder in Pressen lassen sich während
der Verformung von Metallen die Temperaturen derselben gar nicht oder nur sehr schwer
messen.
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Jí.a insDesondere bei bewegten oder schwer zugänglichen Aetallteilen
eine überschlägige Temperaturbestimmung durchrühren zu sonnen, wird erfindungsgemäß
mit Hilfe einer, von einem Wechselstrom durchflossenen Spule, ein Magnetfeld erzeugt,
welches in dem zu untersuchenden Werkstück Wirbelströme hervorruft, die ihrerseits
das angelegte Magnetfeld schwächen und somit die Spulencharakteristica verändern.
Die in einem zu untersuchenden Metall entsehenden Wirbelströme haben zwangsweise
eine Wirkung auf die Höhe des entstehenden Magnetfeldes, sodaß erfindungsgemäß aus
der gemessenen Leitfähigkeit des Werkstoffes auf die Temperatur geschlossen wird.
Leitfähigkeitsmesser nach diesem Verfahren sind schon seit vielen Jahren bekannt,
wobei jedoch darauf hingewiesen werden muß, daß die üblichen Leitfähigkeitsmesser
mit Hilfe von Wirbelströmen eben nur die Leitfähigkeit und nicht die Temperatur
zu bestimmen gestatten. Nun ist bekannt, daß die verschiedensten Metalle sehr unterschiedliche
Leitfähigkeiten aufweisen, und zwar hängt die Leitfähigkeit eines Metalles vorwiegend
von seinen Legierungsbestandteilen ab, Die :E'rogression des spezifischen Widerstandes
ist bei wachsender Temperatur nicht gleich, cias bedeutet, daß die Leitfähigkeitsänderung
für ein bestimmtes Temperaturintervall bei den verschiedenen Metallen verschieden
ist.
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J?ür vorwiegend reine- Metalle, -wie beispielsweise Silber, Kupfer,
Aluminium und reines Eisen ist ein zum Teil linearer Gang zwischen Temperaturanstieg
und Widerstandszunahme festzustellen. Es zeigt sich ferner, daß die Neigung der
Kurve des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes über der Temperatur
nicht bei allen Metallen gleich ist, vielmehr ist die Angabe des Temperaturkoeffizienten
ja gerade ein Maß für die Neigung der Kurve t = f (T). Brfindungsgemäß wird die
Tatsache ausgenützt, daß die einem bestimmten Metall zugeordneten Leitfähigeitsänderungen
über der Temperatur auch noch bei geringen Beimengungen anderer Legierungsbestandteile
Gültigkeit haben. Das bedeutet also, daß z.B. Kupfer, Aluminium, Silber und dergleichen
auch dann noch verhältnismäßig ätrnliche Kurven aufweisen, wenn die se Stoffe nicht
in absolut reiner 2'orm vorkommen. Die weitgehende Konstanz des Temperaturbeiwertes
über verhältnismäßig große Temperaturbereiche hinweg, erlaubt nun jedoch die Eichung
einer Skala über einen bestimmten Temperaturbereich, z.B. in den Grenzen von 300°K
- 1000°K.
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Wird eine solche Skala für je ein Nichteisenmetall wie Kupfer, Aluminium
und dergleichen angelegt, so besitzt diese Skala auch naii inXgewissem Umfang noch
Gültigkeit, wenn durch Legierungsbeimengungen die Leitfähigkeit vermindert würde,
also der spezifische Widerstand steigt. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, daß die
Änderung der- Spulendaten in der Scheinwiderstandsebene dann - wenn die Spule mit
einem zu untersuchenden Werkstück gekoppelt wird -nachgemessen wird, wobei aus der
Veränderung der Spulendaten und der hieraus abgeleiteten Größen auf die Veränderung
der Leitfähigkeit und somit für einen bestimmten Bereich auf die Änderung der Temperatur
geschlossen wird.
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Bei vorgegebenen Kurvenformen, die einmal von Reinstmetallen ermittelt
wurden, kann für verschiedene Metalle eine Spe -zialskala hergeleitet werden, welche
weitgehend Gültigkeit für dieselben Metalle mit geringen Verunreinigungen hat.
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Die Rückwirkung eines Nichteisennietalles auf eine, von Wechselstrom
durchflossene Spule, hängt ausschließlich von der Geometrie des Metalles, der Spule,
dem opplungsfaktor und der Leitfähigkeit ab. Bei Eisennmetallen wird die Rückwirkung
komplex, da auch die effektive Permeabilität ueff), welche häufig mit der relativen
Permeabilität urel) vergleichbar ist, in die Messung eingeht.
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Dennoch funktioniert das angegebene Verfähren in gleicher Weise auch
bei Eisen, wenn berücksichtigt wird, dß die magnetische Permeabilität des Eisens
bei Erreichung des Curie-Punktes, völlig verschwindet. Bis zum Curie-Punkt-oder
wenige Grade darunter - sowie wenige Grade jenseits des Curie-Puntes, ist das Verfahren
in gleicher Weise wie bei Metallen anwendbar, vorausgesetzt die rermeabilität
ist
bekannt. Für den allgemeinen Fall wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß die, das
Magnetfeld erregende Spule entweder so ausgebildet ist, daß das zu untersuchende
Material hindurchläuft (Durchlaufspule), oder daß eine Spule auf das Material aufgesetzt
werden kann.
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In beiden Fällen ist eine Wasserkühlung erforderlich.
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Nachfolgend sei an Hand eines einfachen Beispieles die Erfindung häher
erläutert, ohne dabei die Zahl der möglichen Ausführungen einzugrenzen. (Figur 1)
Mit 1 ist ein Oszillator bezeichnet, dessen Frequenz variiert werden kann. Mit 2
ist eine, ein Magnetfeld erregende Spule bezeichnet, mit 3 eine mit der Spule 2
gekoppelte Sekundärwicklung, mit 4 ein zu untersuchendes Werkstück, mit 5 e in ein
Wechselspannungsverstärker, mit 6 ein Gleichrichter, mit 7 eine Brückenanordnung
zur Kompensation der von 6 gewonnenen Gleichspannung, mit 8 ein weiterer Verstärker,
mit 9 ein Null-Indikator, mit 10, die für die ganze Anordnung und für die Kompensationsspannung
benutzte Stromversorgungsanlage.
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Der Oszillator 1 erzeugt Wechselspannungen, welche in der Spule 2
einen Wechselstrom und somit ein Wechselfeld zur Folge haben. Das Wechselfeld induziert
in der Sekundärspule 3 unmittelbar eine Wechselspannung, deren Höhe direkt von der
Höhe des Wechselfeldes in der Sekundärspule und dessen Frequenz abhängt. Die Höhe
des Wechselfeldes wird jedoch maßgeblich durch die im Werkstück 4 fließenden Wirbelströme
beeinflußt, deren Dichte eine Funktion der Werkstoffleitfähigkeit ist. Bei sich
ändernder Temperatur ändert sich unmittelbar die Höhe der Spannung an der Sekundärspule
3. Über den Verstärker 5 wird das Signal verstärkt und dem Gleichrichter 6 zugeleitet.
In-einer Brückenanordnung wird das gleichgerichtete Signal gegen eine entgegengesetztgerichtete
Gleichspannung kompensiert, sodaß - von einer bestimmten Temperatur ausgehend -
nur noch die von den Temperaturunterschieden herrührende Spannungsdifferenz gemessen
wird. Mit Hilfe des Verstärkers 8 erfolgt die zur Anzeige notwendige Verstärkung
des relativ kleinen Signals, so daß mit dem Zeigerinstrument 9 entweder der Absolutwert
oder aber der Differenzwert, bezogen auf eine einmal gewählte Temperatur angezeigt
werden kann.